Deterministic Shallow Dopant Implantation in Silicon with Detection Confidence Upper‐Bound to 99.85% by Ion–Solid Interactions

材料科学 掺杂剂 离子注入 离子 上下界 纳米技术 光电子学 兴奋剂 有机化学 数学分析 化学 数学
作者
Alexander Jakob,Simon G. Robson,Vivien Schmitt,Vincent Mourik,M. Posselt,D. Spemann,Brett C. Johnson,Hannes R. Firgau,Edwin Mayes,Jeffrey C. McCallum,Andrea Morello,David N. Jamieson
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (3) 被引量:31
标识
DOI:10.1002/adma.202103235
摘要

Abstract Silicon chips containing arrays of single dopant atoms can be the material of choice for classical and quantum devices that exploit single donor spins. For example, group‐V donors implanted in isotopically purified 28 Si crystals are attractive for large‐scale quantum computers. Useful attributes include long nuclear and electron spin lifetimes of 31 P, hyperfine clock transitions in 209 Bi or electrically controllable 123 Sb nuclear spins. Promising architectures require the ability to fabricate arrays of individual near‐surface dopant atoms with high yield. Here, an on‐chip detector electrode system with 70 eV root‐mean‐square noise (≈20 electrons) is employed to demonstrate near‐room‐temperature implantation of single 14 keV 31 P + ions. The physics model for the ion–solid interaction shows an unprecedented upper‐bound single‐ion‐detection confidence of 99.85 ± 0.02% for near‐surface implants. As a result, the practical controlled silicon doping yield is limited by materials engineering factors including surface gate oxides in which detected ions may stop. For a device with 6 nm gate oxide and 14 keV 31 P + implants, a yield limit of 98.1% is demonstrated. Thinner gate oxides allow this limit to converge to the upper‐bound. Deterministic single‐ion implantation can therefore be a viable materials engineering strategy for scalable dopant architectures in silicon devices.

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